Tratamento anaeróbio de efluentes de máquina de papel por biorreator convencional e biorreator de membranas

(1)

ANA PAULA SANTANA LOURES

TRATAMENTO ANAERÓBIO DE EFLUENTES DE MÁQUINA DE PAPEL POR

BIORREATOR CONVENCIONAL E BIORREATOR DE MEMBRANAS

Tese apresentada à Universidade

Federal de Viçosa, como parte das

exigências do Programa de

Pós-Graduação em Ciência Florestal, para

obtenção do título de Doctor Scientiae.

VIÇOSA

(2)

ANA PAULA SANTANA LOURES

TRATAMENTO ANAERÓBIO DE EFLUENTES DE MÁQUINA DE PAPEL POR

BIORREATOR CONVENCIONAL E BIORREATOR DE MEMBRANAS

Tese apresentada à Universidade

Federal de Viçosa, como parte das

exigências do Programa de

Pós-Graduação em Ciência Florestal, para

obtenção do título de Doctor Scientiae.

APROVADA: 8 de outubro de 2007.

______________________________

Profa. Ann Honor Mounteer

(Co-Orientadora)

______________________________

Prof. Carlos Augusto de

Lemos Chernicharo

(Co-Orientador)

______________________________

Prof. Hilário Cuquetto Mantovani

______________________________

Prof. João Carlos Teixeira Dias

______________________________

(3)

A meus pais,

Lívia e Emílio,

meus irmãos,

Dany e Emílio,

minha cunhada,

Luciana,

e meus sobrinhos,

Cecília e Gabriel

(4)

AGRADECIMENTOS

À Universidade Federal de Viçosa (UFV) e ao Departamento de Engenharia Florestal (DEF), pela

oportunidade de realizar o Curso de Doutorado, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e

Tecnológico (CNPq) e à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG), pelo

financiamento desta pesquisa e pela concessão das bolsas de doutorado e de iniciação científica.

À Zenon Environmental Inc. (Canadá), pelo módulo de membrana de ultrafiltração, à Suzano Papel e

Celulose e à Klabin S.A., pelo fornecimento da água branca.

Ao professor Cláudio Mudado Silva, pela orientação, ensinamentos, incentivo em diversos momentos

apreensivos durante estes quatro anos, confiança, contribuições e sugestões oportunas e, acima de

tudo, pela amizade.

Aos professores Ann Honor Mounteer e Carlos Augusto de Lemos Chernicharo, pelo apoio durante a

realização deste trabalho, contribuições e sugestões oportunas.

Aos professores Hilário Cuquetto Mantovani e João Carlos Teixeira Dias, pelo apoio durante a

realização deste trabalho, sugestões e amizade.

Aos professores José Lívio Gomide, Jorge Luiz Colodette e Rubens Chaves de Oliveira, pelos

ensinamentos e pela franca disposição com que sempre me receberam.

Aos meus estagiários, Matheus e Ismarley, pela competência na realização das análises

laboratoriais, paciência durante a operação de manutenção dos biorreatores, imprescindível ajuda em

buscar água branca na câmera fria, constante bom-humor e amizade.

À Ana Augusta, Mônica e Sandra, pelos momentos de descontração e amizade.

À Valéria, pela dedicação ao laboratório, conversas bem-humoradas e amizade.

A todos no Laboratório de Meio Ambiente, pelo intenso intercâmbio de informações e risadas

compartilhadas.

Aos funcionários do Laboratório de Celulose e Papel, Bittencourt, Cirinho e Edinho, companheiros

fiéis nas madrugadas no laboratório, apoio durante a realização deste trabalho e simpatia com que

sempre me receberam.

Aos demais funcionários do LCP e colegas do programa de pós-graduação, sem os quais o

laboratório não seria minha segunda casa e pela amizade sem a qual nada valeria a pena.

A todos que, de alguma forma, contribuíram para a realização deste trabalho.

Aos amigos e familiares distantes que souberam compreender meus momentos de exílio no curso

das disciplinas, no laboratório e em frente ao computador.

A Deus, pelo zelo com o qual sempre cuidou de mim e por trazer para a minha vida todas essas

(5)

BIOGRAFIA

ANA PAULA SANTANA LOURES, filha de Lívia Helena Rebouças Santana Loures e Emílio Gomide

Loures, nasceu na cidade de Belo Horizonte, Estado de Minas Gerais, em 17 de setembro de 1968.

Em janeiro de 1997, graduou-se em Engenharia Civil pela Escola de Engenharia da Universidade

Federal de Minas Gerais (UFMG), em Belo Horizonte, MG.

Em agosto de 2002, obteve o título de “Magister Scientiae” em Engenharia Agrícola na Universidade

Federal de Viçosa (UFV), Viçosa, MG, tendo concentrado seus estudos na Área de Recursos Hídricos e

Ambientais e sendo o título da tese "Modelos de remoção de parâmetros qualitativos em sistema para

tratamento de esgoto doméstico por escoamento superficial utilizando o capim-coastcross (Cynodon

dactylon (L.) Pers.)".

Em abril de 2003, iniciou o Programa de Pós-Graduação, em nível de Doutorado, em Ciência

Florestal na Universidade Federal de Viçosa, tendo concentrado seus estudos na Área de Tecnologia de

Celulose e Papel, realizando pesquisa direcionada ao tratamento de efluente da máquina de papel por

biorreator anaeróbio com acoplamento de membranas de ultrafiltração e submetendo-se à defesa de

(6)

SUMÁRIO

Página

LISTA DE FIGURAS... viii

LISTA DE TABELAS... xii

LISTA DE ABREVIATURAS... xvi

RESUMO... xviii

ABSTRACT... xx

1. INTRODUÇÃO GERAL... 1

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 3

2.1. FABRICAÇÃO DE PAPEL... 3

2.2. REATORES ANAERÓBIOS... 6

2.2.1. Fundamentos da digestão anaeróbia... 7

2.2.1.1. Hidrólise... 8

2.2.1.2. Acidogênese... 9

2.2.1.3. Acetogênese... 9

2.2.1.4. Metanogênese... 11

2.2.2. Condições de operação dos reatores anaeróbios... 13

2.3. MEMBRANAS... 18

2.3.1. Fundamentos da tecnologia de membrana... 18

2.3.2. Características das membranas... 20

2.4. BIORREATORES ANAERÓBIOS DE MEMBRANAS... 21

2.5. EFEITOS DA TEMPERATURA... 24

3. OBJETIVOS... 29

4. BIORREATOR ANAERÓBIO CONVENCIONAL (BRAC) E BIORREATOR ANAERÓBIO DE MEMBRANAS (BRAM), TRATANDO A ÁGUA BRANCA DA MÁQUINA DE PAPEL PRODUZINDO PAPEL KRAFT BRANQUEADO (ETAPA 1)... 30

4.1. MATERIAL E MÉTODOS……...………... 31

4.1.1. Sistema de tratamento... 31

4.1.2. Alimentação... 33

4.1.3. Lodo... 33

4.1.4. Condições operacionais... 34

4.1.5. Análises físico-químicas... 34

4.1.6. Equações utilizadas... 35

(7)

Página

4.1.6.2. Carga hidráulica volumétrica (CHV) e carga orgânica volumétrica (COV).. 36

4.1.6.3. Taxa alimento/microrganismo (A/M) e taxa de utilização do substrato (U).. 36

4.2. RESULTADOS E DISCUSSÃO... 38

4.2.2. Monitoramento da estabilidade... 38

4.2.3. Monitoramento da eficiência... 41

4.2.4. Monitoramento do lodo... 51

4.2.5. Reutilização do efluente tratado... 53

4.3. CONCLUSÃO DA ETAPA 1…... 54

5. BIORREATOR ANAERÓBIO CONVENCIONAL (BRAC) E BIORREATOR ANAERÓBIO DE MEMBRANAS (BRAM), TRATANDO A ÁGUA BRANCA DA MÁQUINA DE PAPEL PRODUZINDO PAPEL RECICLADO (ETAPA 2)... 55

5.1.3. Lodo... 58

6. BIORREATOR ANAERÓBIO DE MEMBRANAS MESOFÍLICO (BRAM 35°C) E BIORREATOR ANAERÓBIO DE MEMBRANAS TERMOFÍLICO (BRAM 55°C), TRATANDO A ÁGUA BRANCA DA MÁQUINA DE PAPEL PRODUZINDO PAPEL KRAFT BRANQUEADO (ETAPA 3)... 79

6.1.3. Lodo... 82

(8)

Página

7. CONCLUSÕES GERAIS….………...………...……….. 99

8. RECOMENDAÇÕES... 100

(9)

LISTA DE FIGURAS

Págin a

2.1. Principais etapas na fabricação de papel... 4

2.2. Sistema de água branca... 5

2.3. Seqüências metabólicas envolvidas na digestão anaeróbia... 8

2.4. As três vias para a metanogênese: via hidrogenotrófica, via metilotrófica e via acetoclástica... 11

2.5. Via hidrogenotrófica... 12

2.6. Esquema básico de uma membrana... 18

2.7. Esquemas dos sistemas de biorreator de membranas com (a) recirculação externa e (b) submerso... 19

2.8. Operações em (a) pressão transmembrana (PTM) e (b) fluxo constantes... 19

2.9. Tempo relativo de digestão de lodo de sedimentação plena digerido às temperaturas de 10ºC a 70ºC... 25

2.10. Efeito da temperatura em Archaea metanogênicas... 25

2.11. Eficiência de remoção de DQO no efluente em (a) reator I e (b) reator II... 27

2.12. Parâmetros de desempenho do reator durante o experimento: ( ) pH e (●) ácidos orgânicos voláteis totais... 27

4.1. Sistema de tratamento biológico... 31

4.2. Sistema de aquecimento da entrada... 32

4.3. Módulo de membrana de ultrafiltração... 33

4.4. pH, durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft branqueado (Etapa 1).. 39

4.5. Ácidos orgânicos voláteis (AOV), durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft branqueado (Etapa 1)... 40

4.6. Alcalinidade total (AT), durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft branqueado (Etapa 1)... 41

(10)

Págin a

4.8. Demanda química de oxigênio (DQO), bruta e solúvel, e eficiência de remoção, durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água

branca da máquina de papel produzindo papel kraft branqueado (Etapa 1)... 43

4.9. Demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), bruta e solúvel, e eficiência de remoção,

durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM),

tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft branqueado (Etapa 1).. 43

4.10. Sólidos suspensos totais (SST) e eficiência de remoção, durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de

papel produzindo papel kraft branqueado (Etapa 1)... 45

4.11. Turbidez e eficiência de remoção, durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

produzindo papel kraft branqueado (Etapa 1)... 46

4.12. Dureza total (DT) e eficiência de remoção, durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

4.13. Dureza cálcio (DCa) e eficiência de remoção, durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

4.14. Condutividade elétrica (C.E.), durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft

branqueado (Etapa 1)... 51

4.15. Sólidos suspensos totais (SST), sólidos suspensos fixos (SSF) e sólidos suspensos voláteis (SSV) no lodo anaeróbio, durante as Fases 1 e 2 e o período de transição, para o biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e para o biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft branqueado

(Etapa 1)... 52

5.2. Detalhe dos aquecedores de aquário utilizados no sistema de aquecimento dos

biorreatores... 57

5.4. pH, durante as Fases 2 e 3, na entrada, no biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e no biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de

papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)... 63

5.5. pH, durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio

convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água

branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)... 64

5.6. Ácidos orgânicos voláteis (AOV), durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas

(BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa 2) 65

5.7. Alcalinidade total (AT), durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM),

tratando água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)... 66

5.8. Alcalinidade bicarbonato (AB), durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas

(11)

Págin a

5.9. Demanda química de oxigênio bruta (DQO bruta) e eficiência de remoção, durante as

Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

produzindo papel reciclado (Etapa 2)... 68

5.10. Demanda química de oxigênio solúvel (DQO solúvel) e eficiência de remoção, durante as

Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

5.11. Sólidos suspensos totais (SST) e eficiência de remoção, durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

5.12. Turbidez, durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água

5.13. Turbidez e cor aparente, durante a Fase 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água

5.14. Dureza total (DT) e eficiência de remoção, durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel

reciclado (Etapa 2)... 73

5.15. Dureza cálcio (DCa) e eficiência de remoção, durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de

membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel

reciclado (Etapa 2)... 74

5.16. Condutividade elétrica (C.E.), durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas

(BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)... 75

5.17. Cor real, durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água

5.18. Sólidos suspensos totais (SST), sólidos suspensos fixos (SSF) e sólidos suspensos voláteis (SSV) no lodo anaeróbio, durante as Fases 1, 2 e 3, para o biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e para o biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando

água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)... 77

6.2. Detalhe dos aquecedores de aquário utilizados no sistema de aquecimento dos

biorreatores... 81

6.4. pH para o biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e para o biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da

máquina de papel produzindo papel kraft branqueado (Etapa 3)... 86

6.5. pH, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água

6.6. Ácidos orgânicos voláteis (AOV), na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft

(12)

Págin a

6.7. Alcalinidade total (AT), na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft branqueado

(Etapa 3)... 88

6.8. Alcalinidade bicarbonato (AB), na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de

membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft

6.9. Demanda química de oxigênio (DQO) e eficiência de remoção, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de papel

6.10. Sólidos suspensos totais (SST) e eficiência de remoção, na entrada e na saída do

biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de papel

6.11. Turbidez e eficiência de remoção, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft

6.12. Dureza total (DT) e eficiência de remoção, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel

kraft branqueado (Etapa 3)... 93

6.13. Condutividade elétrica (C.E.), na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de

membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft

6.14. Cor real, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água

6.15. Sólidos totais (ST), sólidos totais fixos (STF) e sólidos totais voláteis (STV) no lodo anaeróbio, para o biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e para o biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da

(13)

LISTA DE TABELAS

Página

2.1. Exemplos de grupos bacterianos envolvidos na digestão anaeróbia, segundo diferentes

autores... 9

2.2. Valores da energia livre padrão de algumas reações catabólicas da digestão anaeróbia,

segundo diferentes autores... 10

2.3. Variação de temperatura para quatro grupos de microrganismos, segundo diferentes

autores... 15

2.4. Condições ótimas de operação de reatores anaeróbios para os parâmetros pH,

temperatura, alcalinidade e ácidos voláteis, segundo diferentes autores... 15

2.5. Remoção de espécies de acordo com a membrana... 20

2.6. Características das membranas utilizadas para o tratamento de água

residuária... 20

2.7. Resumo de alguns parâmetros operacionais e de projeto de sistemas de tratamento de

efluentes, reportados na literatura... 22

4.1. Período, temperatura, vazão, tempo de detenção hidráulica (TDH), carga hidráulica volumétrica (CHV) e carga orgânica volumétrica (COV) do sistema de tratamento durante as Fases 1 e 2, para o biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e para o biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

4.2. Análises físico-químicas da entrada, da saída e do lodo... 35

4.3. pH, ácidos orgânicos voláteis (AOV), alcalinidade total (AT) e alcalinidade bicarbonato (AB), durante as Fases 1 e 2, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da

4.4. Demanda química de oxigênio (DQO), bruta e solúvel, demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), bruta e solúvel, sólidos suspensos totais (SST) e turbidez, durante as Fases 1 e

2, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

4.5. Eficiências médias de remoção de demanda química de oxigênio (DQO), para o

biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e para o biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), sob diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) estimados, tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft branqueado (Etapa

1)... 44

4.6. Eficiências médias de remoção de demanda química de oxigênio (DQO), para diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) estimados, sob as configurações de sistema biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft branqueado

(Etapa 1).. 45

4.7. Eficiências médias de remoção de sólidos suspensos totais (SST), sob diferentes tempos

(14)

produzindo papel kraft branqueado (Etapa 1)...

Página

4.8. Eficiências médias de remoção de sólidos suspensos totais (SST), sob as configurações de sistema biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e biorreator anaeróbio de

membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft

4.9. Eficiências médias de remoção de turbidez, para o biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e para o biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), sob diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) estimados, tratando água branca da máquina de papel

4.10. Eficiências médias de remoção de turbidez, para os diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) estimados, sob as configurações de sistema biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água

4.11. Dureza total (DT), dureza cálcio (DCa) e condutividade elétrica (C.E.), durante as Fases 1 e 2, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

4.12. Eficiências médias de remoção de dureza total (DT), sob diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) estimados, tratando água branca da máquina de papel produzindo papel

kraft branqueado (Etapa 1)... 49

4.13. Eficiências médias de remoção de dureza total (DT), sob as configurações de sistema biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e biorreator anaeróbio a membranas (BRAM),

4.14. Sólidos suspensos totais (SST), sólidos suspensos fixos (SSF), sólidos suspensos voláteis (SSV), relação alimento/microrganismo (A/M) e taxa de utilização do substrato (U), durante as Fases 1 e 2, para o biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e para o biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

5.1. Período, temperatura, vazão, tempo de detenção hidráulica (TDH), carga hidráulica volumétrica (CHV) e carga orgânica volumétrica (COV) do sistema de tratamento, durante as Fases 1, 2 e 3, para o biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e para o biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

produzindo papel reciclado (Etapa 2)……….. 59

5.2. Análises físico-químicas da entrada e da saída...…….. 60

5.3. pH, ácidos orgânicos voláteis (AOV), alcalinidade total (AT) e alcalinidade bicarbonato (AB), durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio

convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água

branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)...……….. 64

5.4. Demanda química de oxigênio (DQO), bruta e solúvel, sólidos suspensos totais (SST) e turbidez, durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água

branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)……….. 67

5.5. Eficiências médias de remoção de demanda química de oxigênio (DQO), sob diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) estimados, tratando água branca da máquina de

papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)...……….. 69

5.6. Eficiências médias de remoção de demanda química de oxigênio (DQO), sob as configurações de sistema biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa

2)...………. 69

(15)

anaeróbio convencional (BRAC) e no biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), sob diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) estimados, tratando água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)...………...

Página

5.8. Eficiências médias de remoção de sólidos suspensos totais (SST), nos diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) estimados, sob as configurações de sistema biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e no biorreator anaeróbio de membranas (BRAM),

tratando água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)………… 70

5.9. Eficiências médias de remoção de turbidez, sob diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) estimados, tratando água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa

2)...………. 72

5.10. Eficiências médias de remoção de turbidez, sob as configurações de sistema biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando

água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa 2)...………. 72

5.11. Dureza total (DT), dureza cálcio (DCa), condutividade elétrica (C.E.) e cor real, durante as Fases 1, 2 e 3, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e do biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa

2)....……….. 73

5.12. Eficiências médias de remoção de dureza total (DT), sob diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) estimados, tratando água branca da máquina de papel produzindo papel

reciclado (Etapa 2)...………... 74

5.13. Eficiências médias de remoção de dureza total (DT), sob as configurações de sistema biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado (Etapa

2)... 74

5.14. Sólidos suspensos totais (SST), sólidos suspensos fixos (SSF), sólidos suspensos voláteis (SSV), relação alimento/microrganismo (A/M) e taxa de utilização do substrato (U), durante as Fases 1, 2 e 3, para o biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e para o biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), tratando água branca da máquina de papel

produzindo papel reciclado (Etapa 2)……….. 77

6.1. Período, temperatura, vazão, tempo de detenção hidráulica (TDH), carga hidráulica volumétrica (CHV) e carga orgânica volumétrica (COV) do sistema de tratamento para o biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e para o biorreator

anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de

papel produzindo papel kraft branqueado (Etapa 3)... 83

6.2. pH, ácidos orgânicos voláteis (AOV), alcalinidade total (AT) e alcalinidade bicarbonato (AB) na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água

6.3. Demanda química de oxigênio (DQO), sólidos suspensos totais (SST) e turbidez, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da

6.4. Eficiências médias de remoção de demanda química de oxigênio (DQO), sob diferentes temperaturas, tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft

6.5. Eficiências médias de remoção de sólidos suspensos totais (SST), sob diferentes temperaturas, tratando água branca da máquina de papel produzindo papel kraft

6.6. Eficiências médias de remoção de turbidez, sob diferentes temperaturas, tratando água

(16)

6.7. Dureza total (DT), condutividade elétrica (C.E.) e cor real, na entrada e na saída do biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e do biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de papel

6.8. Eficiências médias de remoção de dureza total (DT), sob diferentes temperaturas,

Página

6.9. Sólidos totais (ST), sólidos totais fixos (STF), sólidos totais voláteis (STV), relação alimento/microrganismo (A/M) e taxa de utilização do substrato (U), para o biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e para o biorreator anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), tratando água branca da máquina de papel

(17)

LISTA DE ABREVIATURAS

AB: Alcalinidade bicarbonato, mg CaCO3 l-1

Al: Alumínio

A/M: Taxa alimento/microrganismo, kg DBO kg SSV-1 d-1 ou kg DQO kg SSV-1 d-1

AOV: Ácidos orgânicos voláteis, mg HAc l-1

AT: Alcalinidade total, mg CaCO3 l -1

BRAC: Biorreator anaeróbio convencional

BRAM: Biorreator anaeróbio de membranas

CE: Condutividade elétrica, μS cm-1

CHV: Carga hidráulica volumétrica, m3 m-3 d-1

COT Carbono orgânico total, mg l-1 ou kg m-3

COV: Carga orgânica volumétrica, kg DBO m-3 d-1 ou kg DQO m-3 d-1

Cu: Cobre

DBO: Demanda bioquímica de oxigênio, mg l-1 ou kg m-3

DCa: Dureza cálcio, mg CaCO3 l -1

DQO: Demanda química de oxigênio, mg l-1 ou kg m-3

DT: Dureza total, mg CaCO3 l -1

Fe: Ferro

K: Potássio

MAP: Mono-amônio fosfato

Mn: Manganês

N: Nitrogênio

Na: Sódio

P: Fósforo

PVC: Policloreto de vinila

Q: Vazão, ml min-1 ou m3 d-1

SSF: Sólidos suspensos fixos, mg l-1

SST: Sólidos suspensos totais, mg l-1

SSV: Sólidos suspensos voláteis, mg l-1

ST: Sólidos totais, mg l-1

STF: Sólidos totais fixos, mg l-1

STV: Sólidos totais voláteis, mg l-1

(18)

TRS Tempo de retenção dos sólidos, h ou d

tsa: Tonelada seca ao ar

U: Taxa de utilização de substrato, kg DBO kg SSV-1 d-1 ou kg DQO kg SSV-1 d-1

UASB Upflow anaerobic sludge blanket

UC: Unidade de cor

UNT: Unidade nefelométrica de turbidez

Vr: Volume útil do biorreator, m3

(19)

RESUMO

LOURES, Ana Paula Santana, D.Sc., Universidade Federal de Viçosa, outubro de 2007. Tratamento anaeróbio de efluentes de máquina de papel por biorreator convencional e biorreator de membranas. Orientador: Cláudio Mudado Silva. Co-Orientadores: Ann Honor Mounteer e Carlos Augusto de Lemos Chernicharo.

O consumo de água fresca em fábricas de papel varia de acordo com o tipo de papel produzido,

podendo atingir 100 m3 por tonelada de papel. Assim, a recuperação da água branca torna-se uma

opção atrativa para reduzir o consumo de água fresca nas fábricas. Entretanto, nem sempre é possível

recuperar completamente a água branca em um circuito fechado devido à sua qualidade inadequada e

aos possíveis problemas causados pelo acúmulo de contaminantes. Uma forma de superar estes

problemas é a remoção destes contaminantes antes do reciclo da água. Na Etapa 1, este trabalho

comparou a eficiência de tratamento e a exeqüibilidade do reúso da água branca de um biorreator

anaeróbio convencional (BRAC) e de um biorreator anaeróbio de membranas (BRAM), sendo utilizada a

água branca coletada em uma fábrica de papel para imprimir e escrever. Na Fase 1, o sistema

convencional operou com um tempo de detenção hidráulica (TDH) de 27 h e uma carga orgânica

volumétrica (COV) de 0,24 kg DQO m-3 d-1; e, na Fase 2, com um TDH de 9 h e uma COV de

1,36 kg DQO m-3 d-1. Já o BRAM operou, na Fase 1, com um TDH de 26 h e uma COV de 0,33 kg DQO m-3 d-1,

e, na Fase 2, com um TDH de 9 h e uma COV de 0,85 kg DQO m-3 d-1. O BRAC alcançou eficiências de

remoção de 66% e 74% para demanda química de oxigênio (DQO), de 97% e 83% para sólidos

suspensos totais (SST) e 99% e 49% para turbidez, nas Fases 1 e 2, respectivamente. O BRAM

alcançou eficiências de remoção de 92% e 79% para DQO, de 99% e 90% para SST e 100% e 92%

para turbidez, nas Fases 1 e 2, respectivamente. Ambas as configurações apresentaram boa remoção

de dureza total. Um ligeiro aumento no pH e na condutividade elétrica foi observado. Estes resultados

indicam que o BRAM tem vantagens sobre o tratamento anaeróbio convencional na recuperação da

água branca tratada, especialmente devido à alta remoção dos sólidos suspensos e ao conteúdo

orgânico muito baixo presente no efluente tratado. Entretanto, os altos valores de dureza total e

condutividade elétrica no efluente, não removidas pelo processo biológico, podem tornar-se um

empecilho para um circuito de água branca completamente fechado. Na Etapa 2, esta pesquisa

comparou a eficiência de tratamento da água branca por um BRAC e por um BRAM, sendo utilizada a

água branca coletada em uma fábrica de papel reciclado. Na Fase 1, o sistema convencional operou

com um TDH de 7 h e COV de 14,8 kg DQO m-3 d-1; na Fase 2, com um TDH de 14 h e uma COV de

8,1 kg DQO m-3 d-1; e, na Fase 3, com um TDH de 24 h e uma COV de 4,7 kg DQO m-3 d-1. Já o BRAM

operou, na Fase 1, com um TDH de 8 h e uma COV de 13,4 kg DQO m-3 d-1; na Fase 2, com um

(20)

DQO m-3 d-1. O tratamento anaeróbio da água branca da máquina de papel produzindo papel reciclado

apresentou altas concentrações de ácidos orgânicos voláteis, refletindo em baixa eficiência de remoção

da DQO, turbidez e dureza total. Para SST, observou-se que o BRAM apresentou desempenho superior

ao BRAC. Na Etapa 3, este trabalho comparou a eficiência de tratamento e a exeqüibilidade do reúso da

água branca de um biorreator anaeróbio de membranas mesofílico (BRAM 35ºC) e de um biorreator

anaeróbio de membranas termofílico (BRAM 55ºC), sendo utilizada a água branca coletada em uma

fábrica de papel para imprimir e escrever. O BRAM 35ºC alcançou eficiências de remoção de 70% para

DQO, 95% para SST e 68% para turbidez, operando com um TDH de 10,1 h e uma COV de 1,41 kg

DQO m-3 d-1. Já o BRAM 55ºC alcançou eficiências de remoção de 55% para DQO, 97% para SST e

77% para turbidez, operando com um TDH de 9,8 h e uma COV de 1,46 kg DQO m-3 d-1. Ambas as

configurações apresentaram ligeira remoção de dureza total e aumento na condutividade elétrica e na

cor real. Embora o BRAM 55ºC tenha alcançado uma menor eficiência de remoção da DQO, ele tem

vantagens sobre o tratamento anaeróbio mesofílico, principalmente, por não necessitar do resfriamento

da água branca. Com os recentes desenvolvimentos nos materiais para membrana, pode ser possível

utilizar membranas poliméricas a uma temperatura de operação de 55ºC. A maior desvantagem

associada ao uso de membranas de fibras poliméricas ocas submersas é que sua utilização, a longo

(21)

ABSTRACT

LOURES, Ana Paula Santana, D.Sc., Universidade Federal de Viçosa, October of 2007. Anaerobic treatment of paper machine effluents by conventional bioreactor and membrane bioreactor. Adviser: Cláudio Mudado Silva. Co-Advisers: Ann Honor Mounteer and Carlos Augusto de Lemos Chernicharo.

Fresh water use in paper mills varies according to the type of paper produced, but it can be as high as

100 m3 per ton of paper. In order to reduce water use in paper mills, the reclamation of whitewater is an

attractive option. However, it is not always possible to completely recover the whitewater in a

closed-cycle manner due to the poor quality of this stream and the possible problems caused by the

accumulation of contaminants in the mill. One way to overcome this problem is to remove these

contaminants prior to water recycling. The first part of this work compared the efficiency of treatment and

the feasibility of whitewater reuse of an anaerobic conventional bioreactor (ACBR) and an anaerobic

membrane bioreactor (AMBR), using the whitewater collected from a writing and printing paper mill. In

Phase 1, the conventional system operated with a hydraulic retention time (HRT) of 27 h and a chemical

oxygen demand (COD) load of 0.24 kg COD m-3 d-1; and in Phase 2, with a HRT of 9 h and a COD

load of 1.36 kg COD m-3 d-1. In Phase 1, the AMBR operated with a HRT of 26 h and a COD load of 0.33 kg COD

m-3 d-1; and in Phase 2, with a HRT of 9 h and a COD load of 0.85 kg COD m-3 d-1. In the ACBR

configuration the removal efficiencies were 66% and 74% for COD, 97% and 83% for total suspended

solids (TSS) and 99% and 49% for turbidity, in Phases 1 and 2, respectively. In the AMBR configuration

the removal efficiencies were 92% and 79% for COD, 99% and 90% for TSS and 100% and 92% for

turbidity, in Phases 1 and 2, respectively. Both configurations showed good removal of total hardness. A

slight increase in pH and in electric conductivity was observed. These results indicated that the AMBR

has advantages over the conventional anaerobic treatment for reclaiming the treated whitewater,

especially due to the high removal of suspended solids and the very low organic content present in the

AMBR effluent. However, high values of hardness and electric conductivity in the effluent, not removed by

the biological process, might become a drawback for a fully closed whitewater circuit. The second part of

this research compared the efficiency of treatment of an ACBR and an AMBR, using the whitewater

collected from a recycling paper mill (Old Corrugated Cardboard). The conventional system operated, in

Phase 1, with HRT of 7 h and a COD load of 14.8 kg COD m-3 d-1; in Phase 2, with a HRT of 14 h and a

COD load of 8.1 kg COD m-3 d-1; and in Phase 3, with a HRT of 24 h and a COD load of 4.7 kg COD m-3

d-1. The AMBR operated, in Phase 1, with a HRT of 8 h and a COD load of 13.4 kg COD m-3 d-1; in Phase

2, with a HRT of 15 h and a COD load of 8.0 kg COD m-3 d-1; and in Phase 3, with a HRT of 23 h and a

COD load of 4.8 kg COD m-3 d-1. The anaerobic treatment of the whitewater from OCC paper machine

(22)

hardness. For TSS, the AMBR showed a better performance than the ACBR. The third part of this work

compared the efficiency of treatment and the feasibility of whitewater reuse of a mesophilic anaerobic

membrane bioreactor (35ºC AMBR) and a thermophilic anaerobic membrane bioreactor (55ºC AMBR),

using the whitewater collected from a writing and printing paper mill. In the 35ºC AMBR configuration, the

removal efficiencies were 70% for COD, 95% for TSS and 68% for turbidity, operating with a HRT of 10.1 h

and a COD load of 1.41 kg COD m-3 d-1. In the 55ºC AMBR configuration, the removal efficiencies were

55% for COD, 97% for TSS and 77% for turbidity, operating with a HRT of 9.8 h and a COD load of

1.46 kg COD m-3 d-1. Both configurations showed slight removal of total hardness and an increase in

electric conductivity and real colour. Although COD removal at 55ºC was lower than at 35ºC, the 55ºC

AMBR has advantages over the mesophilic anaerobic treatment mainly because it does not need the

whitewater cooling. With recent developments in membrane materials, it may be possible to use

polymeric membranes at an operating temperature of 55ºC. The major disadvantage associated with

using polymeric submerged hollow fiber membranes is that their long-term use at elevated temperatures

(23)

1. INTRODUÇÃO GERAL

As fábricas de papel utilizam grandes quantidades de água fresca em comparação a outros tipos

de processos industriais. A água é utilizada em vários setores da fábrica, como meio de transporte de

fibras, formação da folha de papel e a preparação de aditivos e também nos processos auxiliares, como

resfriamento, selagem de equipamentos, limpeza, lubrificação, dentre outros.

Os despejos líquidos da fabricação de papel originam-se, principalmente, na máquina de papel,

nos refinadores, nas caixas de regulagem de consistência e na mistura de massa nas peneiras

depuradoras, sendo chamada de água branca. As cargas poluidoras dependem, fundamentalmente, do

tipo de papel fabricado e da prática ou não da recirculação da água branca. De modo geral, este efluente

contém fibras celulósicas, finos e outros aditivos químicos específicos como amido, cola,

anti-espumantes e caulim.

Diversos são os motivos que tornam a recirculação de água branca vantajosa. A reciclagem de

água dentro da fábrica permite a recuperação de matéria prima e reagentes químicos (DEXTER, 1996;

THOMPSON et al., 2001), além de reduzir os custos no descarte do resíduo sólido. A maior parte destes

sólidos é constituída por fibras que representam 5% do total de fibras para papéis pesados (CPRH,

1998). Portanto, sem recuperação, uma fábrica que produz 200 t d-1 de papel perde diariamente 10 t d-1

de material fibroso. Para papéis finos, tal perda pode chegar a 50%.

A recuperação do efluente é economicamente mais atrativa já que o consumo de água na

indústria é alto, bem como os investimentos das instalações e dos equipamentos das estações de

tratamento de água fresca. O consumo de água varia com o tipo de papel sendo produzido e pode ser

tão alto quanto 60 m3 por tonelada de papel produzido, mesmo com as técnicas operacionais mais

modernas e eficientes. Na Alemanha, o volume de efluente gerado pela indústria de papel varia de 5 a

22 m3 t-1 de papel, com exceção das indústrias que produzem papéis especiais, cujo consumo pode ser

acima de 100 m3 t-1 de papel (HAMM e SCHABEL, 2006). No Brasil, as fábricas modernas já possuem

consumo de água em torno de 30 m3 tsa-1, enquanto as fábricas mais antigas podem consumir até

100 m3 tsa-1. A média atual de consumo de água está na faixa de 50 m3 tsa-1.

O custo do tratamento para toda a água residuária na indústria é elevado devido aos custos de

instalação e de operação das estações de tratamento de efluentes. No Brasil, onde existem muitas

empresas operando com máquinas de papel usadas e/ou adquiridas de fabricantes maiores, a vazão

dos despejos é extremamente variável, por exemplo, na fabricação de papéis para impressão e/ou

escrita com colagem alcalina, a vazão é de 15 m3 t-1; para impressão e/ou escrita com colagem

ácida, de 23 m3 t-1; para jornal, de 11 m3 t-1; e para cartão duplex, de 18 m3 t-1 (CPRH, 1998).

No caso de projetos de expansão de fábricas, a capacidade limitada da estação de tratamento

de água fresca e de efluente, bem como as crescentes exigências impostas pela legislação em relação à

vazão de água bruta passível de ser captada pela indústria e à qualidade do efluente a ser lançado no

corpo d’água receptor, podem constituir um obstáculo. Assim, a reciclagem do efluente da máquina de

papel pode ser uma alternativa e/ou solução viáveis. Isto implica em trabalhar com um circuito mais

fechado de água branca, ou seja, buscar operar com uma geração mínima de efluente.

(24)

água branca reciclada. Em algumas situações, estes custos podem sobrepor as economias citadas

anteriormente, especialmente onde se realiza um sistema com alto grau de fechamento de circuito de

água branca. Mesmo não havendo uma vantagem econômica, o reúso da água oferece uma vantagem

de marketing a longo prazo, simplesmente porque a água fresca será o objeto de utilidade mais precioso

no mundo inteiro. Assim, um alto consumo de água será considerado uma agressão ao meio ambiente.

A remoção da matéria orgânica biodegradável com processos anaeróbios une o tratamento de

despejo com a produção de energia, oferecendo uma rara oportunidade de um retorno potencialmente

positivo do capital investido no tratamento, assim como de minimização dos custos operacionais. Ambas

as características e a quantidade de compostos orgânicos biodegradáveis nos efluentes da indústria de

papel tornam o tratamento anaeróbio uma alternativa economicamente atrativa em relação aos

processos de tratamento aeróbios tradicionalmente empregados (LEE, 1993).

O sucesso dos reatores anaeróbios de alta taxa é atribuído à sua capacidade de retenção de

biomassa através de uma separação efetiva do tempo de retenção dos sólidos (TRS) do tempo de

detenção hidráulica (TDH), permitindo altas cargas e baixos TDH. O consórcio bacteriano anaeróbio é

essencial, sendo imobilizado dentro dos grânulos. A diversidade e a distribuição das bactérias são

determinadas por diversos fatores físico-químicos e biológicos (LEPISTÖ e RINTALA, 1999).

Membranas de micro ou ultrafiltração podem ser convenientemente acopladas a um reator

biológico para permitir o aumento do TRS e melhorar a eficiência do tratamento. Em particular, as

Archaea metanogênicas têm velocidades de crescimento mais lentas que os microrganismos aeróbios e,

assim, produzem menores quantidades de lodo residual, porém, requerem um espaço de tempo

relativamente longo através de um reator de mistura completa clássico para evitar sua remoção não

intencional do mesmo. Além disso, a emissão de gás residual e a conseqüente flotação de sólidos

tornam a separação completa impraticável no clarificador final. Assim, reatores anaeróbios, incorporando

micro ou ultrafiltração como etapa de separação, têm sido aplicados para reter os sólidos

completamente e melhorar o efluente (CHOO e LEE, 1996; ELMALEH e ABDELMOUMNI, 1998).

Os efluentes da máquina de papel podem possuir temperaturas superiores a 40ºC, ou seja, fora

da faixa ideal para o tratamento mesofílico. Atualmente, algumas fábricas que possuem um nível alto de

reúso de água necessitam de resfriamento, o qual é realizado em torres de resfriamento e/ou trocadores

de calor. O tratamento biológico em temperatura termofílica vem sendo estudado por não necessitar do

prévio resfriamento do afluente, economizando energia.

Verificando a lacuna existente em relação à operacionalidade e viabilidade de um sistema de

tratamento anaeróbio, especificamente para o efluente da máquina de papel, principalmente, em

condições típicas e reais de operação de uma fábrica nacional, buscou-se, com o presente trabalho,

comparar os desempenhos de um biorreator anaeróbio convencional (BRAC) e de um biorreator

anaeróbio de membranas (BRAM), sob diferentes cargas de aplicação e tempos de detenção hidráulica.

Estudou-se, igualmente, os tratamentos anaeróbios mesofílico e termofílico, procurando adequar-se às

condições de temperatura do citado efluente. Além disso, cabe ressaltar que este experimento foi

conduzido paralelamente ao experimento do sistema de tratamento aeróbio, com o objetivo de se

(25)

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. FABRICAÇÃO DE PAPEL

Desde os primórdios da história e ao longo das civilizações que se sucederam ou conviveram no

nosso planeta, pode ser observada uma preocupação ininterrupta visando conseguir um registro das

idéias, dos pensamentos e das experiências de vida que configuraram alguns fatos históricos relevantes,

dignos de serem preservados para o benefício de futuras gerações. O homem começou a registrar sua

história por volta de 6.000 a.C., e a escrita surgiu independentemente no Egito, na Mesopotâmia e na

China. Pedra, madeira, placas de barro, papiro, pergaminho, cânhamo, capim, palha, trapos velhos,

todos foram materiais para escrita usados pela humanidade durante séculos (ARACRUZ, 2007).

Oficialmente, o papel foi fabricado pela primeira vez na China, no ano de 105 d.C., por Ts'Ai Lun

que fragmentou, em uma tina com água, cascas de amoreira, pedaços de bambu, rami, redes de pesca,

roupas usadas e cal para ajudar no desfibramento. Na pasta formada, submergiu uma forma de madeira

revestida por um fino tecido de seda - a forma manual - como seria conhecida. Esta forma coberta de

pasta era retirada da tina e, com a água escorrendo, deixava sobre a tela uma fina folha que era

removida e estendida sobre uma mesa. Esta operação era repetida e as novas folhas eram colocadas

sobre as anteriores, separadas por algum material. As folhas, então, eram prensadas para perder mais

água e, posteriormente, colocadas uma a uma, em muros aquecidos para a secagem (BRACELPA,

2007).

A idéia de Ts'Ai Lun, "a desintegração de fibras vegetais por fracionamento, a formação da folha

retirando a pasta da tina por meio de forma manual, procedendo-se ao deságüe e posterior aquecimento

para secagem", continua válida até hoje (BRACELPA, 2007).

O crescimento do uso do papel conduziu a uma procura por matérias primas novas. Em 1840,

um alemão chamado Keller teve a idéia de moer a madeira em um moinho para extrair a fibra. Isto

produziu a primeira polpa de madeira. A tecnologia de fabricação de papel fez grandes avanços desde

então, sendo as principais fases deste processo representadas na Figura 2.1 (CELULOSEONLINE,

2007).

A madeira é a matéria prima na fabricação de papel, sendo o eucalipto a principal árvore usada

neste processo no Brasil. Devido às condições climáticas favoráveis no país, após sete anos em média,

as árvores estão prontas para serem cortadas. Após o corte, as toras são descascadas e picadas para

serem transformadas em cavacos, os quais são separados pelo tamanho na peneira (Figura 2.1). As

cascas são separadas e usadas como combustível em caldeira de biomassa para produzir vapor e

(26)

Figura 2.1. Principais etapas na fabricação de papel (PAPER MACHINE, 2007).

A madeira é composta, principalmente, de fibras celulósicas aderidas umas às outras com uma

"cola" chamada lignina. Para converter madeira em polpa, deve-se separar estas fibras, ou seja,

remover a lignina. A polpação ou separação das fibras é realizada por meios químicos ou mecânicos ou

por uma combinação de ambos. A polpação química tem como objetivo a remoção seletiva da lignina,

retirando-a em diferentes intensidades e procurando-se preservar ao máximo a celulose e as

hemiceluloses (GOMIDE, 1979).

No Brasil, o processo mais comumente empregado é a polpação química pelo processo "kraft"

que, em alemão, quer dizer "forte". No processo kraft, a celulose e a lignina são separadas no digestor

(Figura 2.1) com o auxílio dos reagentes químicos hidróxido de sódio (NaOH) e sulfeto de sódio (Na2S),

a temperaturas entre 160 e 180ºC, sendo a lignina despolimerizada e dissolvida. O processo de

polpação termina quando a polpa ainda contém entre 5 e 10% de lignina, pois uma deslignificação mais

extensa pode danificar a fibra e prejudicar a qualidade da polpa (NOLASCO et al., 2000, 2001; SOUZA,

2001).

O licor resultante, contendo os reagentes químicos e os subprodutos gerados na decomposição

dos constituintes da madeira (NaOH + Na2S + lignina + H2O), é chamado licor negro fraco. Este licor

possui muita água na sua composição (15% de sólidos), assim sendo, após o digestor, o mesmo é

concentrado através do processo de evaporação, depois do qual, passa a ser denominado licor negro

forte (> 70% de sólidos) (CASSIM, 2004). Em uma etapa posterior, este licor é incinerado na caldeira de

recuperação (Figura 2.1) com o objetivo de gerar vapor e energia e recuperar compostos inorgânicos

para reutilização no processo industrial. Desta forma, é também eliminada uma fonte potencial de

poluição da água e o processo torna-se mais econômico (NOLASCO et al., 2000, 2001; SOUZA, 2001).

Para a fabricação de certos tipos de papel, a celulose resultante deve ser branqueada (Figura

(27)

dissolver ou eliminar a lignina restante. A polpa final não só é mais branca, como também tem uma

tendência menor de amarelar com o passar do tempo, ou seja, de sofrer reversão de alvura.

Quando a polpa chega à caixa de entrada da máquina de papel (Figura 2.1), seu conteúdo de

água excede 99%. A mistura é lançada sob a forma de um jato fino e uniforme sobre uma tela móvel

denominada tela formadora. A ação filtrante desta tela formadora, combinada com um sistema de vácuo,

extrai a maior parte da água contida na polpa formando, assim, a folha de papel. A folha é prensada

entre rolos para remover mais água e, então, atravessa a seção de secagem, onde entra em contato

com cilindros geralmente aquecidos com vapor, extraindo a maior parte da água restante através da

evaporação. No final da máquina, o papel é enrolado em rolo jumbo, os quais são rebobinados e

segmentados em rolos menores, seguindo para a seção de conversão ou de acabamento.

Quando a massa é lançada na tela da máquina, a água de drenagem (água branca) é,

geralmente, colhida em bandejas colocadas abaixo da tela (Figura 2.2). ROMERO (2001) caracterizou a

água branca como a água do desaguamento da máquina de papel, com teores de fibras entre 700 e

4.000 mg l-1, com temperatura de 40 a 50ºC e com alta concentração de produtos químicos (cola, carga

mineral, alumínio, alvejante óptico). Após a coleta, a água passa por equipamentos de recuperação de

fibras, sendo usada para a diluição da massa. A água proveniente das caixas de sucção é coletada em

recipiente diferente da água da tela e utilizada, em geral, para a lavagem desta. Uma maior proporção

de água branca volta a ser permanentemente usada, o que diminui a poluição hídrica e possibilita a

economia de matéria fibrosa e de produtos químicos. As cargas poluidoras dos despejos líquidos da

fabricação de papel dependem fundamentalmente do tipo de papel fabricado e da prática ou não da

recirculação do efluente gerado na máquina de papel pela formação e prensagem da folha.

Figura 2.2. Sistema de água branca (D’ALMEIDA, 1988).

Tradicionalmente, os programas de controle dos efluentes hídricos enfocam apenas as estações

de tratamento. No entanto, as fábricas mais modernas têm adotado o controle na própria fonte de

(28)

2.2. REATORES ANAERÓBIOS

Há anos, a digestão anaeróbia tem sido utilizada para a estabilização de lodos de águas

residuárias. Em anos mais recentes, entretanto, tem sido empregada com sucesso para o tratamento de

efluentes doméstico e industrial. Isto se tornou possível através de uma melhor compreensão da

microbiologia do processo e do aperfeiçoamento do projeto dos reatores. O processo anaeróbio

apresenta diversas vantagens em relação ao processo aeróbio (RINTALA e PUHAKKA, 1994;

CHERNICHARO, 1997; BITTON, 1999; FORESTI et al., 1999; BERNI e BAJAY, 2001; THOMPSON et

al., 2001):

1. A digestão anaeróbia usa o dióxido de carbono (CO2) prontamente disponível como aceptor de

elétrons, não requerendo oxigênio elementar (O2), cujo suprimento aumenta substancialmente

os custos do tratamento do efluente.

2. A digestão anaeróbia produz menores quantidades de lodo estabilizado (3 a 20 vezes menos

que nos processos aeróbios), pois o rendimento energético dos microrganismos anaeróbios é

relativamente baixo. A maioria da energia derivada da quebra do substrato é encontrada no

produto final, o metano (CH4). Em relação ao crescimento celular, 50% do carbono orgânico é

convertido em biomassa sob condições aeróbias enquanto apenas 5% é convertido em

biomassa sob condições anaeróbias.

3. A digestão anaeróbia produz um gás combustível, o metano, que contém cerca de 90% de

energia, tem um teor calorífico de aproximadamente 9.000 kcal m-3 e pode ser queimado para

fornecer aquecimento aos digestores ou para gerar eletricidade. Uma pequena quantidade de

energia (3 a 5%) é perdida na forma de calor. A produção de metano contribui na redução da

demanda bioquímica de oxigênio (DBO) no lodo digerido.

4. A energia requerida para o tratamento de efluente é menor que nos processos aeróbios.

5. A digestão anaeróbia é adequada para efluentes industriais com alta carga orgânica.

6. Há a possibilidade de aplicação de altas taxas de carregamento no digestor.

7. A atividade dos microrganismos anaeróbios é preservada, mesmo que o digestor não receba

alimentação por longos períodos de tempo.

8. A demanda de área para a instalação do sistema de tratamento é baixa.

9. O consumo de nutrientes é baixo.

Algumas desvantagens da digestão anaeróbia são:

1. É um processo mais lento que a digestão aeróbia.

2. É sensível à inibição por diversos compostos tóxicos.

3. A partida do processo requer longos períodos, embora a utilização de inóculo de alta qualidade

(por exemplo, lodo granular) possa aumentar a velocidade do processo.

4. Há a possibilidade de geração de maus odores.

(29)

2.2.1. Fundamentos da digestão anaeróbia

A digestão anaeróbia é um processo biológico no qual um consórcio de diferentes tipos de

microrganismos, na ausência de oxigênio (O2), promove a transformação de compostos orgânicos

complexos (carboidratos, proteínas e lipídeos) em produtos mais simples como metano (CH4) e dióxido

de carbono (CO2) (FORESTI et al., 1999).

Em um digestor anaeróbio, as duas principais vias envolvidas na formação de CH4 são (1) a

conversão do hidrogênio (H2) e do dióxido de carbono (CO2) a CH4 e água (H2O) e (2) a conversão do

acetato (CH3COO

-) a CH4 e CO2 (TCHOBANOGLOUS e BURTON, 1991). A formação de CH4 não

ocorre em ambientes onde O2, nitrato (NO3

-) ou sulfato (SO4

2-) encontram-se prontamente disponíveis

como aceptores inorgânicos de elétrons (CHERNICHARO, 1997).

CHERNICHARO (1997) relata que a digestão anaeróbia de compostos orgânicos complexos é

normalmente considerada um processo de dois estágios. No primeiro estágio, um grupo de bactérias

facultativas e anaeróbias, denominadas formadoras de ácidos ou fermentativas, converte os orgânicos

complexos em outros compostos. Compostos orgânicos complexos como carboidratos, proteínas e

lipídeos são biologicamente convertidos em materiais orgânicos mais simples, principalmente ácidos

voláteis. No segundo estágio, ocorre a conversão dos ácidos orgânicos, CO2 e H2 em produtos finais

gasosos, o CH4 e o CO2. Esta conversão é efetuada por um grupo especial de bactérias, denominadas

formadoras de metano, as quais são estritamente anaeróbias.

TCHOBANOGLOUS e BURTON (1991) citam que as Archaea metanogênicas são capazes de

utilizar o hidrogênio produzido pelas acidogênicas devido à sua eficiente hidrogenase. Como as

metanogênicas são capazes de manter uma pressão parcial de H2 extremamente baixa, o equilíbrio das

reações de fermentação é deslocado para a formação de mais produtos finais oxidados (por exemplo,

formato e acetato).

As Archaea metanogênicas dependem do substrato fornecido pelas acidogênicas, e estas, por

sua vez, dependem das primeiras para a remoção dos compostos que poderiam inibir o seu

crescimento, configurando, portanto, uma interação sintrófica (mutuamente benéfica)

(TCHOBANOGLOUS e BURTON, 1991; CHERNICHARO, 1997).

Uma vez que as Archaea metanogênicas são responsáveis pela etapa final da degradação do

resíduo, a sua baixa taxa de crescimento e de utilização dos ácidos orgânicos, normalmente, representa

o fator limitante no processo de digestão como um todo (TCHOBANOGLOUS e BURTON, 1991;

CHERNICHARO, 1997). A degradação sintrófica de butirato, propionato ou ácidos graxos de cadeia

ramificada acontece sob condições que deixam somente a quantidade mínima de energia para o

organismo parceiro e isto pode explicar porque estes têm o crescimento lento, executando todas as suas

reações biossintéticas na dependência da energia fornecida por estes incrementos mínimos de energia

(SCHINK, 2002).

FORESTI et al. (1999) relatam que, nos reatores anaeróbios, a formação de CH4 é altamente

desejável, uma vez que a matéria orgânica, geralmente medida como demanda química de oxigênio

(DQO), é efetivamente removida da fase líquida, pois o CH4 apresenta baixa solubilidade em água

(TCHOBANOGLOUS e BURTON, 1991). Assim, a conversão dos compostos orgânicos em CH4 é eficaz

na remoção do material orgânico, apesar de não promover a sua oxidação completa, a exemplo de

(30)

Os diferentes grupos de bactérias e Archaea que transformam o material orgânico afluente têm

todos atividade catabólica e anabólica. Deste modo, paralelo à liberação dos diferentes produtos de

fermentação, há a formação de novas células, dando origem a quatro populações bacterianas no

digestor anaeróbio. Para conveniência, muitas vezes os três primeiros processos juntos são chamados

de fermentação ácida, que deve ser completada com a metanogênese (VAN HAANDEL e LETTINGA,

1994).

Uma representação esquemática das fases da digestão anaeróbia é apresentada na Figura 2.3.

Figura 2.3. Seqüências metabólicas envolvidas na digestão anaeróbia (os números referem-se a percentagens da DQO) (VAN HAANDEL e LETTINGA, 1994; FORESTI et al., 1999).

2.2.1.1. Hidrólise

Diversos autores (TCHOBANOGLOUS e BURTON, 1991; LEE, 1993; VAN HAANDEL e

LETTINGA, 1994; CHERNICHARO, 1997; FORESTI et al., 1999) registram que, nesta etapa, o material

orgânico particulado é convertido em compostos dissolvidos de menor peso molecular (Figura 2.3). O

processo requer a interferência das chamadas exoenzimas – enzimas proteolíticas, lipolíticas, ureolíticas

ou celulolíticas – que são excretadas pelas bactérias fermentativas. As proteínas são degradadas em

polipeptídeos para formarem aminoácidos; os carboidratos, transformados em açúcares solúveis (mono

e dissacarídeos); e os lipídeos, convertidos a ácidos graxos de cadeia longa (C13 a C27) e glicerina, os

quais podem atravessar as paredes celulares das bactérias fermentativas. Na prática de tratamento de

efluente, a velocidade de hidrólise pode ser a etapa limitante para todo o processo da digestão

anaeróbia.

MATERIAL ORGÂNICO EM SUSPENSÃO PROTEÍNAS, CARBOIDRATOS, LIPÍDEOS

AMINOÁCIDOS, AÇÚCARES ÁCIDOS GRAXOS

CH3COCOO

-(piruvato)

CH3CH2COO

-(propionato) OUTROS

ÁCIDOS ORGÂNICOS

CH3COO

(acetato) H2 + CO2

CH4 + CO2

21 40

34 39 5

34 66

46 5

15

35 11 9 6 4 1 23 11

70 30

Hidrólise

Acidogênese

Acetogênese

Metanogênese

Acetotrófica Hidrogenotrófica

(31)

2.2.1.2. Acidogênese

Segundo diferentes autores (TCHOBANOGLOUS e BURTON, 1991; LEE, 1993; VAN HAANDEL

e LETTINGA, 1994; CHERNICHARO, 1997; FORESTI et al., 1999), os compostos dissolvidos, gerados

no processo de hidrólise ou liquefação, são absorvidos nas células das bactérias fermentativas e, após a

acidogênese (Figura 2.3), excretados como substâncias orgânicas simples como ácidos orgânicos

voláteis de cadeia curta (AOV) – tais como ácidos acético, butírico, lático, propiônico etc. –, álcoois – tais

como etanol, butanol, metanol – e compostos minerais como amônia (NH3), sulfeto de hidrogênio (H2S).

A acidogênese é realizada por um grupo diversificado de bactérias (Tabela 2.1), das quais a maioria é

estritamente anaeróbia. Entretanto, algumas espécies são facultativas e podem metabolizar o material

orgânico por via oxidativa. Isto é importante nos sistemas de tratamento anaeróbio de efluentes porque o

oxigênio dissolvido, eventualmente presente, poderia se tornar uma substância tóxica para as Archaea

metanogênicas se não fosse removido pelas bactérias acidogênicas facultativas.

Tabela 2.1. Exemplos de grupos bacterianos envolvidos na digestão anaeróbia, segundo diferentes autores (TCHOBANOGLOUS e BURTON, 1991; LEE, 1993; CHERNICHARO, 1997; MADIGAN et al., 2004)

Bactérias Fase Exemplos Substrato

Fermentativas Acidogênese

Actinomyces Bacteroids

Bifidobacterium spp Clostridium spp Desulphovibrio spp Escherichia coli Lactobacillus

Peptococcus anaerobus Staphylococcus

Acetogênicas Acetogênese Acetobacterium spp

Clostridium spp

Metanogênicas

acetotróficas Metanogênese

Methanosarcina Methanosaeta

H2 + CO2, metanol, metilaminas, acetato

Acetato

Metanogênicas

hidrogenotróficas Metanogênese

Methanobacterium Methanobrevibacter Methanococcus Methanospirillum

H2 + CO2, formato

H2 + CO2, piruvato + CO2, formato

H2 + CO2, formato

2.2.1.3. Acetogênese

De acordo com diversos autores (TCHOBANOGLOUS e BURTON, 1991; LEE, 1993; VAN

HAANDEL e LETTINGA, 1994; CHERNICHARO, 1997; FORESTI et al., 1999), as bactérias

acetogênicas são responsáveis pela oxidação dos produtos gerados na fase acidogênica em substrato

apropriado para as Archaea metanogênicas, ou seja, os ácidos orgânicos mais elaborados – tais como

ácidos propiônico e butírico – são, subseqüentemente, transformados a hidrogênio, dióxido de carbono e

acetato pelas bactérias acetogênicas (Figura 2.3). Dessa forma, as bactérias acetogênicas fazem parte

de um grupo metabólico intermediário, que produz substrato para as metanogênicas.

A acetogênese, etapa essencial na conversão de compostos intermediários em acetato, é